El Sr. Bill Hansen, Director de Planta de la Compañía New England Fertilizer Company, solicitó los servicios de Full Spectrum Diagnostics para realizar una investigación de la vibración en un Ventilador RTO con problemas en las instalaciones de Shakopee, Minesota, EEUU.

New England Fertilizer (NEFCO) diseña, construye y opera la granulación de "biosólidos" e instalaciones de secado por calor a través de los EEUU. Biosólidos es un término de la industria para el lodo sólido derivado de plantas de tratamiento de aguas residuales. El producto terminado del proceso es un abono " Clase A" que es semejante en características físicas a abonos convencionales sintéticos y es vendido principalmente para uso agrícola. El Ventilador Principal RTO F202 es una pieza de equipo "crítico para la planta" en el centro de fabricación de Shakopee.

Históricamente, los problemas de la vibración tienden a surgir cuando las hojas de ventilador forman una capa con el tiempo. Cuándo las hojas están sucias, el ventilador, que es manejado por un motor de frecuencia variable, trabaja a velocidades ligeramente más altas para retener las eficiencia del proceso. Los niveles elevados de vibración (a 1x RPM) fueron resueltos típicamente limpiando las capas formadas en las hojas del ventilador.

Recientemente, el personal de planta observó un aumento en la vibración estructural del marco. Los niveles excesivos de vibración todavía se encontraron predominantemente en 1x RPM. Sin embargo eran sumamente direccionales y no fueron reducidos limpiando las hojas del ventilador. NEFCO solicitó que Full Spectrum Diagnostics (con cede en Miniápolis, Minesota, EEUU) realizará una investigación de diagnóstico de vibración en una tentativa para entender las causas fundamentales de la vibración y para ayudar a definir un método para reducir o eliminar sus efectos perjudiciales.

El diagnóstico total de vibración de los problemas de maquinaria de rotación implica típicamente ambas técnicas operadoras de análisis, así como el análisis no operante. En este caso, la unidad de RTO fue requerida a mantener las operaciones de la planta, así no podría ser cerrada para pruebas naturales de frecuencia (análisis modal). Sin embargo, el uso limitado de los controles del Drive de Frecuencia Variable (VFD Variable Frequency Drive por sus siglas en ingles) fue otorgado para algunas pruebas de control transitorias (velocidad de barrido).

Información del Diseño de la Maquina

Drive:

• Motor de Inducción AC Westinghouse
• 100 HP @ 1780 RPM
• Drive de Frecuencia Variable (VFD)
• 890 RPM @ 50% Velocidad
• 1605 RPM @ 90% Velocidad (típica)
• Elementos rodantes del cojinete: OB: 6313, IB: 6317

Maquina:

• Ventilador Principal F202 RTO de 54-pulgadas

Cople directo:

• 890 RPM @ 50% de velocidad
• 1605 RPM @ 90% de velocidad (típico)
• Elementos rodantes del cojinete, #3, #4 Dodge 517
• Hojas del ventilado cuenta nueve (9) 

Discusión del análisis

Antes de la visita a la planta, NEFCO transmitió las imágenes digitales, planos de la máquina e información, así como los espectro de la vibración tomados durante los meses anteriores al análisis. El programa interno detecto que el problema actual fue considerablemente diferente de sus experiencias pasadas con desbalanceo debido al aumento de la hoja.

Ya que la máquina no podría ser apagada para la visita planificada de planta, un análisis ODS fue recomendado para visualmente animar los movimientos de la máquina y determinar la causa primordial de los problemas de la vibración.

El análisis de ODS da al analista una mirada en cómo la estructura entera responde en cada frecuencia de falla. Midiendo la respuesta de la vibración en numerosas ubicaciones en la estructura y las relaciones de la fase con respecto a un transductor de referencia, nosotros podemos animar por la computadora las formas operadoras de la estructura. La respuesta operadora del ventilador fue medida en 293 predeterminado (X, Y, Z) las ubicaciones, trazando efectivamente la estructura. Una atención especial fue tomada para definir los puntos de la medida a través de cada unión empernada en la estructura (ver Figura 2).

Definición

Una ODS es medida con la máquina en su condición de funcionamiento normal. Este análisis mide las la respuesta de la máquina en un tiempo o frecuencia específico. Tanto la información de amplitud como la de la fase es reunida en varias ubicaciones de la estructura y, vía un software especial, la "forma" vibrante o la respuesta de la máquina pueden ser animadas.

Estas animaciones muestran al analista "cómo" la máquina se mueve durante la operación normal. Note que esto no es una respuesta resonante de la máquina, pero de su respuesta operacional. Las fuerzas dentro de la máquina son responsables del movimiento, o de la forma del movimiento medido con este instrumento del análisis. Por ejemplo, la respuesta de desbalanceo en cualquier sistema que gira producirá una respuesta o fuerza impulsora en RPM. 1x. La desalineación y la holgura producen generalmente los múltiplos síncronos de la velocidad corriente (RPM 2x, RPM 3x).

La animación por computadora del ODS muestra una respuesta significativa en la estructura del marco de apoyo del ventilador. Una flexión vertical del soporte interno del tubo de la base inducía excesivo movimiento lateral (horizontal) en los cojinetes del motor y del ventilador. La amplitud dominante de la respuesta cerca de 1,00 pulgadas/segundo fue notada en la almohadilla del cojinete del pedestal de apoyo del ventilador externo en 1594 RPM (90% de velocidad del VFD).

Basado en la respuesta altamente direccional de la unidad y cambios significativos en la amplitud con cambios modestos de velocidad, la frecuencia natural en un marco de apoyo fue sospechada cerca del 90% del punto de la velocidad.

Ya que la unidad no podría ser cerrada para la prueba de resonancia, la velocidad del motor de VFD fue variada por su rango de frecuencia de la velocidad operacional de 20%-100% para trazar las frecuencias naturales estructurales. El Mapa gráfico de Cascada (ver FIG 3) muestra que una respuesta máxima fue alcanzada en una frecuencia de 1614 RPM. Una transición en la amplitud como la velocidad fue aumentada indicó una frecuencia natural en esta velocidad. Un gráfico del perfil de la vibración general durante el barrido es también proporcionado, indicando claramente una respuesta resonante clásica.

Una revisión de las animaciones del ODS (ver FIG 4) indicó una debilidad o flexibilidad local en el lado noroeste el tubo interior de apoyo de la base del ventilador. Los movimientos originaron de un lugar débil vertical en el lado interior del marco del ventilador, teniendo como resultado general una respuesta lateral excesiva más alta en la estructura. El tubo interior no es abrochado al tramo de concreto pero es sostenido por el marco exterior. El gráfico en color del contorno en la FIG 4 muestra colores cada vez más vibrantes con niveles más grandes de amplitud de vibración. Los niveles más altos (rojo) medidos en este análisis estaban por encima de 1,0 ips.

Ya que la respuesta de la máquina cambió tan rápidamente basado en su tendencia histórica, era más probable que el Canal-C del marco interior pudiera tener una débil, floja, o conexión agrietada al tubo principal. Una inspección detallada de este canal "escondido" se recomendó para resolver este asunto, si estaba presente.

En corregir los problemas estructurales de la resonancia, el analista dirige típicamente la fuente (las fuentes) o el drive(s) de la vibración primero antes de hacer las modificaciones estructurales. La "regla del pulgar" sería realizar los cambios más sencillos primero y eliminar los problemas conocidos de la máquina. La solución más sencilla sería restringir la operación del ventilador en el rango sospechoso de la frecuencia. El rango VFD del motor se podría "afinar" para limitar la operación en un + /- 10% del rango de la velocidad alrededor de 1614 CPM. Esta opción no se creyó ser práctica desde el punto de vista de operaciones de la planta.

Otras soluciones más permanentes fueron exploradas luego. Fue posible que el tubo interior del marco fuera resonante en 1614 CPM debido el espacio no apoyado. Si esto fue el caso, el tubo podría ser calzado con cuñas movibles puestas en intervalos por su longitud para mejorar el soporte y levantar su frecuencia natural por arriba del rango de operación del ventilador. La ubicación del problema fue considerada inaccesible en áreas requeridas para cualquier modificación de calza o montura.

Las frecuencias naturales pueden ser alteradas también por cambios en la masa o rigidez. La modificación más sencilla es el cambio en la masa. Full Spectrum Diagnostics regreso al sitio pocos días después de la visita inicial para una modificación masiva en línea (on-line). Nuevos desarrollos estructurales incluyendo un perno roto en la base de la montura en el lado débil de la unidad, indicando que la respuesta empeoraba. El cerrojo roto fue reemplazado antes de la prueba. En total, una cantidad de cincuenta bolsas de arena de treinta libras fueron añadidas al sensible lado (Noroeste) de la base de la estructura.

¡Ningún cambio apreciable en la respuesta de la amplitud fue medido de una carga masiva de 1.500 lbs!

En este punto, el caso para una grieta interna del tubo o falla en la soldadura se estaba construyendo. El Sr. Hansen, director de la planta para New England Fertilizer, llamó el fabricante del ventilador para discutir la posibilidad de este tipo de defecto escondido. El fabricante del ventilador resumió el éxito histórico de este modelo de marco de ventilador y los detalles de sus requisitos de soldadura, concluyendo que un fracaso de soldadura no era probable. El sr. Hansen siguió presionando y preguntó si cualquier previsión de la garantía lo excluía por cortar un hoyo en la base para inspeccionar visualmente las soldaduras. El fabricante de origen otorgó el permiso, dos hoyos de 8 pulgadas de diámetro para la inspección fueron cortados.

Las inspecciones visuales confirmaron una soldadura partida que originalmente proporciona apoyo lateral estructural al marco (ver Figura 5).

Se realizaron las reparaciones apropiadas de soldadura, reduciendo efectivamente los niveles de vibración medidos en los cojinetes del ventilador debajo de 0,100 ips en velocidades normales de operación.

Una seguimiento a velocidad de barrido de VFD a velocidad de operación de 50%-100% fue realizado, notando que los niveles pico de vibración a velocidad tope de 1725 RPM, indicaron la frecuencia natural ha sido movida exitosamente arriba del rango de velocidad operacional. Las velocidades normales de operación están en o debajo de 90% de toda la velocidad (1605 RPM).

Conclusiones

Una soldadura impropia, el procedimiento de soldadura, o el defecto de soldadura fueron los responsables del debilitamiento estructural del marco del ventilador. Con el tiempo, con la pérdida lenta de la integridad de la soldadura vino también una pérdida en la rigidez del marco. Un marco fundamental de la frecuencia natural originalmente encima del rango de la velocidad operacional arrastró en el rango corriente de velocidad y fue amplificada por el desbalanceo residual en el sistema del rotor. Los movimientos estructurales del ventilador originados en un lugar débil vertical en el ventilador del lado noroeste del marco interior, teniendo como resultado general una respuesta lateral excesiva de una medida más alta en la estructura en los bloques de cojinete.

El análisis ODS fue instrumental en localizar el defecto y definir la causa primordial de este problema "escondido" de la vibración.

Dan Ambre, P.E .es Ingeniero Mecánico y fundador de Full Spectrum Diagnostics, PLLC, Una compañía de consultoría total de Servicios de Mantenimiento Predictivo. Dan se especializa en la detección de Resonancia, en el Análisis Modal Experimental, y en el diagnóstico ODS. Visite por favor su sitio Web en www.fullspec.net, o mándele un correo electrónico: modalguy@aol.com.

Bill Hansen es el Gerente de Planta de New England Fertilizer Company Shakopee, MN. Bill se unió a NEFCO en el 2000 momento en el cual manejo el comisionato y arranque de las instalaciones de Shakopee. Bill tiene un titulo de Ingeniero Químico de la Universidad de Minesota y su carrera lo ha llevado de Nueva Jersey a California y algunos lugares en medio de estos dos sitios. Bill es un Analista de Vibración Nivel I y además supervisa el programa de vibración en las instalaciones de NEFCO.